Présentation de logiciels scientifiques et ludo-éducatifs sous Linux

Jean-Pierre Demailly

Université de Grenoble I, Institut Fourier
demailly@ujf-grenoble.fr
Exposé à l'Université d'Été Logiciels Libres
9 juillet 1999

Beaucoup des logiciels présentés ici sont répertoriés et disponibles sur le site ftp du CARMI Internet de Grenoble:
ftp://ftp.ac-grenoble.fr/ge

On pourra aussi consulter avec profit le site de liens du CARMI (en cours de construction par le groupe GUILDE-éducation):
http://www.ac-grenoble.fr/carmi-internet/ge/liens.php

Introduction

Les logiciels libres occupent aujourd'hui une place centrale dans le créneau des serveurs. Leur visibilité dans ce domaine est très grande. La part de marché de Linux en tant que système d'exploitation de serveurs Internet (WWW, News et FTP) était en effet de 31.3% en avril 1999, et cette part est en constante progression. Il en est de même pour les serveurs intranets d'entreprise, où la part de Linux est vraisemblablement de l'ordre de 20% à ce jour - la France accusant malheureusement un retard important par rapport à ces statistiques reflétant la situation au plan mondial. Il ne fait aucun doute que Linux pourra et devra jouer un grand rôle dans la mise en place des intranets scolaires. Les projets déjà réalisés (LinuxEdu, SLIS) sont à même de démontrer la viabilité de cette approche et le très grand rapport qualité/prix des solutions "libres".

D'autres bénéfices importants seraient également à attendre dans le domaine des postes de travail, au delà des économies budgétaires considérables pour la puissance publique. Je voudrais citer:

Connectivité plus grande, du fait que Linux est par essence un système conçu pour le travail en réseau. Sous X-Window, un même programme peut ouvrir des fenêtres sur plusieurs machines ou terminaux distants, et mettre les utilisateurs en intéraction. Plusieurs logiciels de groupware existent dores et déjà, d'autres sont en cours de portage.
Accès par l'intermédiaire de la toile (web) à un très grand nombre de ressources: logiciels libres et données scientifiques (majoritairement disponibles pour les environnements Unix), données culturelles.
Bénéfices dûs au caractère multi-utilisateurs et la protection des données système. Dans des conditions normales d'utilisation, la maintenance d'un poste de travail consiste en la mise à jour des logiciels (et ce, éventuellement sur le seul serveur), et non pas en la réparation de systèmes qui se dégradent du fait d'erreurs de manipulation commises par les utilisateurs.
Pérennité des solutions logicielles disponibles, du fait du libre accès aux sources, et de la possibilité d'un portage sous pratiquement tous les autres environnements.
Pérennité des formats de données. Linux respecte la plupart des standards définis par les consortiums internationaux et s'y tient. Le système TeX/LaTeX, utilisé depuis de nombreuses années par la communauté mathématique et scientifique, permet sans aucune difficulté la réexploitation des données plus de 15 ans après la mise en oeuvre initiale du système. C'est un instrument tout à fait exploitable pour la production de documents de cours. Pour les utilisateurs rebutés par la difficulté d'apprentissage de la syntaxe de TeX, il existe maintenant des préprocesseurs conviviaux de type WYSIWYG comme LyX.
Grande résistance aux agressions extérieures (virus, tentatives d'intrusion), du fait d'un souci permanent de sécurité, comme sous tout système Unix.
Très grande configurabilité du système. Linux est de conception très modulaire et peut-être configuré suivant les besoins de l'utilisateur final.
Le caractère ouvert des logiciels libres est conforme à l'éthique de la transmission du savoir et des connaissances. Si on le souhaite, il est possible de comprendre en profondeur la mécanique interne des programmes et du système d'exploitation.

Il existe malheureusement certains handicaps spécifiques qui ont jusqu'à présent freiné la généralisation de Linux comme plate-forme universelle de travail.

Manque de visibilité auprès du grand-public et des décideurs, en l'absence - jusqu'à une date récente, du moins - de structures commerciales organisées. Des machines préinstallées avec Linux vont être prochainement commercialisées, mais ce n'était pas le cas jusqu'à présent.
Inertie des utilisateurs et des institutions. Il est très difficile à un système nouveau (même fortement innovant) de s'implanter face à un système en situation de quasi-monopole sur le créneau des postes de travail. Les utilisateurs doivent changer leur habitudes et/ou convertir leurs données. Des formations spécifiques et des réadaptations doivent être envisagées pour de nombreuses catégories de personnels.
Difficultés d'usage inhérentes au système, pour l'utilisateur final. Linux est un système très puissant, multi-tâches, multi-utilisateurs, multi-plateformes, muni de nombreux dispositifs de protection. La philosophie générale de fonctionnement est donc assez différente des systèmes grand public les plus répandus (Windows9x et Mac), ce qui peut dérouter les novices. Il en résulte nécessairement certaines contraintes d'utilisation.
Absence d'interface graphique standardisée (mais la variété et la diversité des interfaces disponibles peuvent être aussi ressenties comme un atout; certaines interfaces sont moins gourmandes en ressources et restent tout à fait utilisables sur des machines anciennes possédant peu de mémoire vive - 8Mo semblant être un minimum pour pouvoir utiliser sans trop de peine le système X-Window.)
Manque d'applications (réel ou ressenti), surtout dans le secteur éducatif ou ludique.

Sur ce dernier point, l'avenir doit être envisagé avec optimisme, compte-tenu de la dynamique actuelle. On peut aussi remarquer qu'il existe déjà une logithèque tout à fait conséquente, apte à répondre à une partie importante des besoins en matière éducative. A l'appui de cette affirmation, nous allons ici présenter un certain nombre de logiciels libres intéressants. Tous peuvent être téléchargés gratuitement sur le web, et un bon nombre figurent dans les distributions commerciales courantes de Linux.

1. Traitement de texte scientifique

Un outil essentiel est le système de formatage de texte TeX/LaTeX conçu par Donald Knuth (Université de Stanford) au début des années 1980. La qualité de ce système a fait qu'il s'est imposé comme le standard absolu pour les mathématiciens professionnels; TeX a d'ailleurs largement pénétré les autres disciplines scientifiques. LaTeX est une surcouche au dessus de TeX, à savoir un ensemble de macros élaborées simplifiant la tâche de l'utilisateur (peut-être quelque peu au détriment de la souplesse, mais LaTeX est devenu le standard de fait).

L'avantage de TeX, et en général des systèmes de formatage de texte, est que l'utilisateur n'a à se concentrer que sur la structure du texte et non pas sur la mise en page. C'est le formateur de texte qui se charge de placer les différents éléments sur la page. TeX et LaTeX sont de ce point de vue des outils à la fois puissants, souples et précis. De plus, le format de saisie est du texte pur, donc lisible en clair et réutilisable pour d'autres besoins. Ce format n'a pas changé depuis la conception initiale, et se trouve être totalement portable d'un environnement à un autre. Le problème de l'échange des données entre utilisateurs ne se pose pas, ni dans l'espace, ni dans le temps.

Un inconvénient pour les utilisateurs novices, cependant, est que TeX est en fait un langage de programmation dont la syntaxe ne peut être acquise qu'avec effort. Il n'est possible de visualiser le résultat de la saisie qu'après un processus de compilation, certes rapide, mais interdisant une visualisation en temps réel comme pour les traitements de texte classiques WYSIWYG (MS-Word et consorts). C'est ici qu'intervient le programme LyX. LyX est un préprocesseur pour LaTeX, permettant la saisie de LaTeX sous une forme interactive et pratiquement WYSIWYG. Avec un minimum d'entraînement, il est possible d'utiliser LyX pour saisir de nombreux types de textes, avec la ressource de créer des modèles-type (lettre, article, compte-rendu...). On peut saisir des formules mathématiques élaborées, des tableaux de données, des images, etc., et ce de façon conviviale avec la souris.

Figure 1: Capture d'écran de LyX (24kB)

Références

Site de la distribution teTeX de Thomas Esser (la meilleure distribution TeX disponible actuellement pour Linux): http://www.tug.org/tetex

Site principal de LyX: http://www.lyx.org

2. Outils pour les mathématiques

Unix et Linux sont des systèmes conçus au départ par des scientifiques pour des usages scientifiques. L'univers Unix/Linux possède donc un nombre extrêmement grand d'outils pour les sciences et pour les mathématiques. Cela va des logiciels de représentations des données au calcul matriciel, numérique ou formel. Il existe des dizaines de packages disponibles sur chacun de ces thèmes. Parmi ceux-ci des logiciels commerciaux (comme Maple, Mathematica, Matlab), mais aussi beaucoup d'outils libres équivalents (Scilab, Macaulay, Octave...; le logiciel de calcul formel MuPAD, bien que non libre, est relativement puissant et gratuit pour un usage éducatif). Le choix est plus restreint si on se limite aux outils réellement utilisables par des élèves du secondaire. Mentionnons:

Gnuplot, un logiciel de tracé de courbes mathématiques

http://www.cs.dartmouth.edu/gnuplot_info.html
ftp://ftp.gnuplot.vt.edu/pub/gnuplot

Figure 2: Capture d'écran de Gnuplot (18kB)

Pari, un logiciel de calcul algébrique et numérique, autorisant une précision de calcul arbitraire, bien adapté au calculs arithmétiques et au calcul formel sur les matrices et les polynômes,

http://pari.home.ml.org

THX, un calculateur numérique et graphique basé sur la librairie JX, cf.

http://www.its.caltech.edu/~jafl/thx/

Figure 3: Capture d'écran de THX (62kB)

Logiciels d'exploration des fractals, xfractint, xaos, xmountains

Ces logiciels permettent d'appréhender quelque peu la nature d es ensembles fractals - et aussi de produire de superbes images! On les trouve dans beaucoup de distributions de Linux ou sur le site sunsite, cf.
http://metalab.unc.edu/pub/Linux/

Figure 4: Capture d'écran de Xfractint (70kB)

Au niveau du Primaire et du Collège, citons un remarquable logiciel de géométrie dynamique qui est aussi être un merveilleux outil d'apprentissage de la géométrie (DrGeo de Hilaire Fernandes, http://www.drgeo.seul.edu).

Figure 5: Capture d'écran de DrGeo (18kB)

Un petit programme élaboré dans le cadre du projet GNOME, garith, permet de tester les compétences des élèves dans l'exécution d'opérations arithmétiques élémentaires http://www.gnome.org.

Figure 6: Capture d'écran de Garith (12kB)

3. Physique / Chimie / Astronomie

Dans ce champ disciplinaire, on recense des logiciels intéressants en grand nombre. Le plus remarquable est peut-être xephem, un logiciel de simulation astronomique développé par Elwood Charles Downey en collaboration avec la NASA, cf. http://www.clearskyinstitute.com/xephem/xephem.html

Le logiciel xephem permet de simuler avec une très grande précision la carte du ciel, l'aspect de la Terre et des planètes, le système solaire. Ce logiciel, développé initialement au moyen du toolkit propriétaire Motif, peut-être considéré maintenant comme un logiciel libre. Motif peut en effet être remplacé par Lesstif, qui est un clone performant de Motif-1.2 (et dans une moindre mesure de Motif-2.0). Un CD-Rom fourni à bas prix par la NASA permet d'avoir accès à la quasi-totalité des données répertoriées par le télescope spatial Hubble.

Figure 7: Capture d'écran de Xephem (37kB)

Un autre logiciel intéressant pour la Physique est MeK, dû à Ghislain Picard, qui permet de faire des simulations de mécanique du point. MeK trace les trajectoires des particules soumises à des forces. Ce logiciel en français couvre l'ensemble du programme de mécanique du lycée au premier cycle universitaire: http://www.snafu.de/~ghislain.picard/mek.html.

Du même auteur, Lum, un simulateur de Travaux Pratiques d'optique, http://www.linux-france.org/prj/lum/index.html, et Xem, un simulateur de dosage acido-basiques, http://www.linux-france.org/prj/xem/index.html.

Dans le domaine de la chimie, il existe plusieurs logiciels intéressants, en particulier des logiciels pour la visualisation des molécules (RasMol, MolMol, PovChem), et le programme Gperiodic, http://gperiodic.seul.org/, sur la classification périodique des éléments.

Nous avons ici seulement testé PovChem, cf. http://grserv.med.jhmi.edu/~paul/PovChem.html

Ce logiciel permet de convertir un schéma moléculaire au format .pdb en une image 3D de grande qualité (en ombre et lumière, au format .pov). L'auteur a notamment mis en oeuvre ce logiciel pour réaliser un article dans le magazine Science et la page de couverture afférente. Pour pouvoir effectivement visualiser la molécule, PovChem nécessite le très célèbre traceur de rayons (raytracer) Povray. Il est utile d'y adjoindre un programme comme Babel pour pouvoir convertir les autres formats moléculaires en .pdb. Babel est dû à Pat Walters and Matt Stahl, cf. http://www.chem.ohiou.edu/~dolata/babel.html

Enfin, pour la commodité d'usage, il est indispensable d'avoir une interface graphique qui combine ces outils de manière ergonomique. Une telle interface a pu être réalisée en très peu de temps à l'aide de la librairie graphique libsx (simple X library) de D.Giampaolo. Un package tout près de cet ensemble de logiciels est disponible sur notre site ftp://mozart.ujf-grenoble.fr/pub/contrib-linux/educational

Figure 8: Capture d'écran de Povchem (59kB)

4. Géosciences

Le logiciel libre professionnel le plus connu est le système Grass, qui est un système extrêmement élaboré de représentation de données géophysiques, géologiques et biologiques relatives à la planète (http://www.baylor.edu/~grass/).

Figure 9: Image de Présentation de Grass (38kB)

Signalons quelques autres logiciels pertinents dans ce contexte: xearth (simulation en temps réel et en fond d'écran du globe terrestre), xglobe (idem, mais avec de plus la possibilité de faire apparaitre des images géophysiques), sunclock (simulation des fuseaux horaires et calcul du temps local en tout point de la planète).

Figure 10: Capture d'écran de Xglobe / Xearth manager (208kB)

Figure 11: Capture d'écran de Sunclock (temps universel et temps local) (10kB)

5. Logiciels ludiques présentant un intérêt éducatif

Même s'il n'existe aujourd'hui sous Linux qu'un petit nombre de portages de jeux commerciaux à la mode, on dénombre néanmoins par centaines les programmes de jeux. Linux étant un système ouvert sur les réseaux, on trouvera en particulier un grand nombre de jeux permettant de jouer en réseau. Ces jeux - bien souvent écrits par des étudiants en informatique ou par des scientifiques comme moyen de se faire la main sur la programmation - présentent fréquemment une composante combinatoire, géométrique ou de recherche de stratégie qui peut les rendre intéressants comme outils éducatifs. On peut ainsi mentionner le jeu de scrabble (xscrabble, en version française sur notre site référencé plus haut), échecs ( gnuchess, avec interface 2D xboard et 3D glchess), jeu de go (gnugo, wally), reversi (xreversi, kreversi), jeux de lettres (xwords, xmastermind), jeux d'arcade et de stratégie (affenspiel, xbombs, xquarto, xsokoban, xtetris), puzzle interactif (xjig). Signalons enfin un logiciel de création d'images stéréoscopiques donnant l'illusion de la 3D (ces images sont connues dans le commerce sous la dénomination d'images ``oeil magique''). Ce logiciel, dû à Jörg Bakker et nommé sis (pour Single Image Stereogram) est accompagné de schémas expliquant les propriétés optiques mises en jeu. Une interface graphique conviviale xsis, réalisée sous libsx, est disponible.

Figure 12: Capture d'écran de Xscrabble (99kB)

Figure 13: Capture d'écran de Xreversi (13kB)

Figure 14: Capture d'écran de Xwords (24kB)

Figure 15: Capture d'écran de Xmastermind (16kB)

Figure 16: Capture d'écran de Xquarto (32kB)

Figure 17: Capture d'écran de Xjig / Xjigmgr (puzzle interactif faisant appel à des actions de rotation / translation / symétrie). (89kB)

Il existe bien entendu d'innombrables jeux d'action et de combat, mais leur intérêt éducatif est moins évident..., cf.
http://www.happypenguin.org,
http://www.linuxgames.com/

6. Conclusion

Cet aperçu, loin d'être exhaustif, montre que les logiciels libres, en particulier Linux et la logithèque libre qui l'accompagne, constituent dores et déjà des instruments de travail et d'apprentissage extrêmement riches. A notre sens, les environnements ouverts sont nettement plus propices à l'apprentissage que les environnements commerciaux fermés (pour lesquels l'utilisateur apprend avant tout à passer au tiroir-caisse, et à se contenter de qu'on veut bien lui donner pour le prix versé, quelle qu'en soit la qualité). Dans un environnement libre, on peut au contraire expérimenter, choisir la solution appropriée parmi plusieurs solutions possibles. On peut enfin aller beaucoup plus loin si on le désire, en ``démontant la mécanique'' aussi loin que le temps et la compétence le permettent. Pour mettre concrètement ces outils à la disposition des enseignants et des élèves, il nous paraît cependant impératif que l'Education Nationale se donne les moyens de recenser et d'évaluer les outils disponibles. L'élaboration de distributions logicielles sous forme de CD-Rom spécialisés et prépackagés nous paraît être une nécessité pour la mise en oeuvre auprès d'un public élargi. A priori, le coût d'un tel travail serait très modeste à l'échelle du pays, et induirait des économies très supérieures à la dépense, sans compter la valeur de l'outil pédagogique qui serait ainsi créé.